分子的游樂場
長期以來，化學家和分子生物學家們都使用模型以更好地理解分子結構以及X射線和晶體照相術獲得的數據。DNA結構的發(fā)現者、1962年諾貝爾醫(yī)學獎獲得者、美國科學家詹姆斯·沃森和英國科學家弗朗西斯·克里克就在球和棍子結構的幫助下，最終發(fā)現了DNA的雙螺旋結構，這被普遍看作分子生物學時代的開端。
亞瑟·奧爾森表示，現在，科學家們開始使用三維打印技術鑄造更復雜的生物系統(tǒng)的模型。30年前，奧爾森在加州斯克里普斯研究所創(chuàng)建了這個分子圖像實驗室。該實驗室包含有由成千上萬個相互作用的蛋白質組成的分子環(huán)境，這種環(huán)境其他方法根本不可能制造出來。奧爾森表示，使用三維打印機：“任何人都能定制出想要的模型”。但也并非每個人都這樣做，很多科學家不太那么容易獲得打印機，他們要么沒有想到使用三維打印機，要么買不起這種打印產品。
然而，奧爾森表示，這些模型會為科學研究提供重要的信息。當他為一個同事打印出一個蛋白質，他們發(fā)現，該蛋白質周圍有一個了彎曲的空白空間“通道”從中穿過。在計算機屏幕上，這個導管很難發(fā)現，但是，他們發(fā)現，從模型一邊吹進的氣流從另一邊出來，才知道這個通道的存在。確定這種通道的長度將有助于更好地了解這些通道以及它們如何運輸分子。在計算機上做這些事情可能需要編寫很多新代碼才能完成，但使用這種打印出來的模型，一串字符就可以搞定。
奧爾森表示，讓科學家們在計算機屏幕上扭曲和轉動這樣的結構的軟件非常有用。但是，僅有這些軟件還不夠。即使最先進的軟件也會讓兩個原子占據同樣的空間。在計算機內對分子進行修修補補是一份苦差事，每次將物體轉動后，計算機都需要花費很長時間才能重新繪制出物體，另外，解釋這些圖片也需要耗費精力。但胡亂擺動一個打印出的物理模型就像玩游戲一樣。奧爾森表示：“我不需要想很多其它事情，我只需要擺動就會有所發(fā)現。”
現在，奧爾森正試圖讓三維打印技術的觸覺優(yōu)勢和計算機強大的計算能力“雙劍合璧”，打印出自己想要的研究材料。他已經使用小的標簽紙給打印出來的模型貼上了標簽，網絡攝像頭可以識別出這些標簽，制造出了一個“增強現實”的圖景。采用這種方式，用戶能夠把玩該物理模型，同時使用計算機探測其他方面，諸如獲得給定分子排列的勢能等。奧爾森也希望使用能夠更容易在堅硬的材料和可彎曲材料之間游刃有余切換的打印機，以便更好地復制諸如蛋白質折疊等分子行為。
打印出適合細胞發(fā)育的支架
三維打印機的打印“墨水”并不局限于塑料。生物學家們一直在嘗試用打印機打印出人體細胞或單個細胞或能夠自然結合在一起的多細胞團。這些技術已經成功地制造出了血管和能夠跳動的心臟組織。實現真的可以打印出起作用的器官這一終極夢想可能還有很長的路要走。但從短期來看，科學家們看到了打印出比在實驗室培養(yǎng)皿中培育出來的普通結構更具生命特征的三維細胞結構的潛力。
由美國Organovo公司研制的三維生物打印機如今已可以制造動脈，開發(fā)者稱由這種設備“打印”的動脈最早有望在5年內用于心臟搭橋手術。目前，這家公司研發(fā)出了一臺能制造出三維組織結構的三維打印機，打印出的結構能被用來測試藥物。迄今為止，它制造出來的最先進的模型用于研究纖維化病癥。纖維化可發(fā)生于多種器官，主要病理改變?yōu)槠鞴俳M織內纖維結締組織增多，實質細胞減少，持續(xù)進展可致器官結構破壞和功能減退，乃至衰竭，嚴重威脅人類健康和生命。公司下一步的目標是在這一系統(tǒng)上測試藥物。該公司的首席執(zhí)行官、化學工程師基斯·墨菲表示：“三維打印機或許并非是完成這一目標的唯一方式，但它確是一種好的方法。”
目前，其他科研團隊正使用三維打印機，利用塑料或者膠原蛋白作為原料，打印出細胞能在其上發(fā)育的支架。美國國家標準與技術研究院生物材料團隊的生物學家卡爾·西蒙表示，這種支架的形狀非常復雜，能夠幫助科學家們確定細胞如何發(fā)育或者干細胞如何分化成為不同的細胞類型。借用三維打印技術，科學家們就可以打印出不同的支架構造并用其進行試驗以便找出表現最好的支架形狀，而且，這種方式完全在科學家們的掌控之中。
然而，其中存在的一個問題是大多數三維打印機的工作精度僅為幾十微米到幾百微米，然而，細胞在1微米尺度下才能感應分化。英國謝爾菲德大學的三維打印技術專家尼爾·霍普金森表示，頂級質量的打印機目前能夠獲得的精確度為100納米。但是，“這仍然還處于實驗室研究階段。”
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